稀土激光原理与稀土固体激光材料

1、一、概述一、概述二、稀土激光原理二、稀土激光原理三、稀土固体激光材料三、稀土固体激光材料3.6 稀土激光材料激光（激光（light amplification by stimulated emission of radiation）简写）简写”laser”.定义：激光定义：激光是指能把各种泵浦（电、光、射线）是指能把各种泵浦（电、光、射线）能量转换成激光的材料。激光是由激光工作能量转换成激光的材料。激光是由激光工作物质受激发后产生的。物质受激发后产生的。Lasero 用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使其中一部分粒子激发到能量较高的状态上，当

2、这种状态其中一部分粒子激发到能量较高的状态上，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射作用，也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就作用，也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就会射出强度放大而又与入射光波位相一致、频率一致、会射出强度放大而又与入射光波位相一致、频率一致、方向一致的光辐射，称为方向一致的光辐射，称为“光放大光放大”。激光产生的过程：激光产生的过程：一、概述一、概述o若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射在间歇腔内沿轴线方向往复反射传播，多次在间歇腔内沿轴线方向往复反射传

3、播，多次通过工作介质，使光辐射被放大很多倍，从通过工作介质，使光辐射被放大很多倍，从而形成一束强大很大，方向集中的光束而形成一束强大很大，方向集中的光束激激光。光。o激光激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。上述特征促使激光在工业、农业、医学及国防上述特征促使激光在工业、农业、医学及国防等领域得到了广泛的应用。等领域得到了广泛的应用。激光历史激光历史o世界上第一台激光器诞生于世界上第一台激光器诞生于1960年，同年就发现年，同年就发现CaF2：Sm3+。我国于。我国于1961年

4、研制出第一台激光器，年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等

5、等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。推动了传统产业和新兴产业的发展。 o由于稀土元素所具有的特殊的电子组态，众由于稀土元素所具有的特殊的电子组态，众多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激光工作物质中最重要的元素。光工作物质中最重要的元素。o迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有14种，涉及种，涉及170多种化合物。多种化合物。o在现有的激光材料中，在现有的激光材料中，90%以上都是掺入以上都是掺入稀土离子作为激活剂。稀土离子作为激活剂。激光应

6、用激光应用o传统上看，它的研究范围一般可分为：传统上看，它的研究范围一般可分为：o 加工系统加工系统 包括激光器、导光系统、加工机床、控包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。制系统及检测系统。 o加工工艺加工工艺 包括切割、焊接、表面处理、打孔、打包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。标、划线、微调等各种加工工艺。 o激光焊接：激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有金许焊接污染和变形的器

7、件。目前使用的激光器有金运运YAG激光器，金运激光器，金运CO2激光器和半导体泵浦激光激光器和半导体泵浦激光器。器。o激光切割：激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金以下

8、氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有等等。使用激光器有YAG激光器和激光器和CO2激光器。激光器。激光打标：激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光器和半导体泵浦激光器。 o激光打孔：激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已激光器的平均输出功率已由由

9、5年前的年前的400w提高到了提高到了800w至至1000w。国内目前比。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。多层印刷线路板等行业的生产中。o目前使用的激光器多以目前使用的激光器多以YAG激光激光器、金运器、金运CO2激光器为主，也有一激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。半导体泵浦激光器。o 激光热处理：激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、

10、在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行同时在航空航天、机床行业和其它机械行o业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，激光器，CO2激光器为主。激光器为主。 o激光快速成型：激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以和模型行业。

11、目前使用的激光器多以YAG激光器、激光器、CO2激光器为主。激光器为主。 o激光涂敷：激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率金运用广泛。目前使用的激光器多以大功率金运YAG激光器、金运激光器、金运CO2激光器为主。激光器为主。o激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、焊接、钻孔、切割、育种、外科手术、计量焊接、钻孔、切割、育种、外科手术、计量和分析等方面，成为一门蓬勃发展的新技术。和分析等方面，成为一门蓬勃发展的新技术。o对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激

12、光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引人注目的高新技术领域。人注目的高新技术领域。二、稀土激光机理二、稀土激光机理Mechanism of rare earth laser 在已发现的激光工作物质中，稀土都已在已发现的激光工作物质中，稀土都已成为一族极其重要的元素。这都与它具有成为一族极其重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。谱特性有关。 利用一些稀土离子的三能级和四能级系利用一些稀土离子的三能级和四能级系统产生激光的原理图。统产生激光的原理图。产生激产生激光的必光的必要条件要条件是在能

13、是在能级级3上实上实现粒子现粒子的反转的反转o在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长（laser wavelength）具有不同反射率）具有不同反射率（reflectivity）的反射镜，放在内衬银或铝等）的反射镜，放在内衬银或铝等反射材料的聚光器内，用脉冲反射材料的聚光器内，用脉冲Xe灯、灯、Kr灯、灯、发光二极管或激光灯作为激发光源（或称光发光二极管或激光灯作为激发光源（或称光泵泵optical pump）.激发光源激发光源内衬内衬 Ag/Alo产生激光的必要条件产生激光的必要条件:即累积在能级即累积在能级3上的反转粒子数必须多于在能级上的反转粒子数必

14、须多于在能级1或能级或能级2上的上的粒子数。粒子数。 在三能级系统中，在能级在三能级系统中，在能级1上必须有上必须有50以上被激发至能以上被激发至能级级3上才能实现的粒子数的反转，故产生激光的阈值比较高。上才能实现的粒子数的反转，故产生激光的阈值比较高。 而在四能级系统中，只要求能级而在四能级系统中，只要求能级2的能量大于的能量大于1000T，因此，因此，在能级在能级2上由于温度而产生热反转的粒子数很少。如果从能级上由于温度而产生热反转的粒子数很少。如果从能级3跃迁至跃迁至2上的粒子又可以很快的驰豫至基态上的粒子又可以很快的驰豫至基态1而不积累在而不积累在2上，上，则在能级则在能级2上的粒子数

15、很少，其实，相对于能级上的粒子数很少，其实，相对于能级2，在能级，在能级3上上比较容易实现粒子数的反转。故在四能级系统中，产生激光比较容易实现粒子数的反转。故在四能级系统中，产生激光的阈值很低。的阈值很低。在能级在能级3上实现粒子数反转上实现粒子数反转几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。在在14种稀土离子中，激光发射波长最短的是种稀土离子中，激光发射波长最短的是Gd3+，最长的是，最长的是Dy3+。在可见光区有。在可见光区有Pr

16、3+，Tb3+，Ho3+，Eu3+，Sm3+；在红外光区有在红外光区有Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+，Tm2+，Dy3+。o三、稀土固体激光材料三、稀土固体激光材料 激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光材料，材料，1960年年-红宝石激光器，至今在各种红宝石激光器，至今在各种各样的激光器中固体激光器仍占据主导地位。各样的激光器中固体激光器仍占据主导地位。 固体激光器中核心是固体激光材料，它们多固体激光器中核心是固体激光材料，它们多是采用光泵方式的稀土离子为激活中心的电介质是采用光泵方式的稀土离子为激活中心的电介质材料。这类材料又可分为晶体激光材料

17、、玻璃激材料。这类材料又可分为晶体激光材料、玻璃激光材料、化学计量激光材料和光纤激光材料等。光材料、化学计量激光材料和光纤激光材料等。o1.稀土晶体激光材料稀土晶体激光材料 在激光晶体中，激活离子处于有序结构的晶在激光晶体中，激活离子处于有序结构的晶体中。由于激活离子所处的环境和基质材料的物体中。由于激活离子所处的环境和基质材料的物理化学性质的不同，使得激活离子的光谱特性和理化学性质的不同，使得激活离子的光谱特性和激光性能也不同。激光性能也不同。 绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，晶体，包括掺杂性激光晶体和自激活激光晶体。包括掺杂性激光晶体和自激

18、活激光晶体。 在众多的激光材料中，现在公认较好和广泛在众多的激光材料中，现在公认较好和广泛应用的激光晶体只有几种，而且它们都是掺应用的激光晶体只有几种，而且它们都是掺Nd的稀土化合物的稀土化合物。掺钕的钇铝石榴石激光材料Yttrium aluminum garnet laser materials doped with Neodymium Y3Al5O12:Nd3+,即即YAG:Nd3+，是目前国内外，是目前国内外应用最为广泛的稀土固体材料之一。在现有激光应用最为广泛的稀土固体材料之一。在现有激光晶体中，晶体中，YAG:Nd3+的激光、热学和力学等综合的激光、热学和力学等综合性能最佳，成为目前

19、最好最实用的搞功率材料，性能最佳，成为目前最好最实用的搞功率材料，占使用器件的占使用器件的90以上，已广泛应用到科研、工以上，已广泛应用到科研、工业、国防和医疗各个方面。业、国防和医疗各个方面。oYAG:Nd3+激光晶体虽然各方面性能比较优良，激光晶体虽然各方面性能比较优良，但有些方面仍满足不了高功率、高效率的要但有些方面仍满足不了高功率、高效率的要求。求。o原因是原因是Nd3+离子在离子在YAG中的分凝系数小，掺中的分凝系数小，掺入量最多约入量最多约1左右左右，这样限制了激光效率的，这样限制了激光效率的提高。另外，提高。另外，稀土离子的吸收较弱稀土离子的吸收较弱，不能充，不能充分利用光泵的能

20、量。分利用光泵的能量。o改进方案：改进方案： 一是改进基质增强一是改进基质增强Nd3+离子的掺入量，另一离子的掺入量，另一个是加入可以对个是加入可以对Nd3+离子敏化的离子。离子敏化的离子。o基质改进方面：首先用钆镓石榴石（基质改进方面：首先用钆镓石榴石（GGG）（gadolinium gallium garnet），）， Nd3+的掺入量可的掺入量可提高一倍，后来用钆嫁钪石榴石（提高一倍，后来用钆嫁钪石榴石（GSGG） （gadolinium gallium Scandium garnet），的掺入），的掺入量提高到量提高到4倍，激光效率达到倍，激光效率达到4以上。最近又出现以上。最近又出现

21、了一种铝酸镁镧基质（了一种铝酸镁镧基质（LaMgAl11O19）,它的它的Nd3+掺掺入量可提高到入量可提高到6倍。倍。o提高光泵利用率方面：通常采用敏化方式。对提高光泵利用率方面：通常采用敏化方式。对Nd3+的敏化通常用的敏化通常用Cr3+离子离子, Cr3+的光谱和的光谱和Nd3+的的光谱匹配，光谱匹配， Cr3+的吸收也很强。的吸收也很强。o2.稀土玻璃激光材料稀土玻璃激光材料 由于基质玻璃配位场的作用，使绝大多数由于基质玻璃配位场的作用，使绝大多数3d过渡族金属离子在玻璃中实现激光的可能性很少，过渡族金属离子在玻璃中实现激光的可能性很少，而稀土离子由于而稀土离子由于5s和和6p外层电子对外层电子对4f电子的屏蔽电子的屏蔽作用，使它们在玻璃中仍保持与自由电子相似的作用，使它们在玻璃中仍保持与自由电子相似的光谱特性，容易活的较窄的荧光。光谱特性，容易活的较窄的荧光。 因此不少的稀土离子（因此不少的稀土离子（Nd、Sm、Gd、Tb、Ho、Er、Tm和和Yb）可以在玻璃中发生激光。可以在玻璃中发生激光。基